Тепловые эффекты в реакторах.

Для качественной характеристики влияния температуры на мультиплицирующие (размножающие) свойства а.з. используются две величины: температурный эффект реактивности (ТЭР) и температурный коэффициент реактивности (ТКР).

Это интегральная характеристика, измеряется в единицах реактивности.

Так как то

Температурный коэффициент реактивности – это дифференциальная характеристика, определяется как приращение реактивности, соответствующие изменению температуры среды на 1 ⁰С

Различают несколько температурных коэффициентов реактивности: по топливу, теплоносителю, замедлителю.

Температурный коэффициент реактивности по топливу есть приращение реактивности при изменении температуры топлива на 1 ⁰С. Он обусловлен, с основном, эффектом расширения резонансных сечений захвата (эффектом Доплера). Температурный коэффициент реактивности по топливу для реакторов на тепловых нейтронах всегда отрицателен.

Температурный коэффициент реактивности по замедлителю есть приращение реактивности при изменение температуры замедлителя на 1 ⁰С. В реакторах с водяным замедлителем определяется, в основном, четырьмя обстоятельствами:

· изменением с температурой плотности воды;

· содержанием поглощающих добавок в воде (бора);

· спектром нейтронов;

· нуклидный состав топлива.

Температурный коэффициент реактивности по замедлителю может быть как положительным, так и отрицательны в зависимости от названных обстоятельств. Например, для ВВЭР в начале кампании при высокой концентрации бора в воде изменение плотности с повышением ее температуры приводит к увеличению коэффициента замедления вследствие уменьшения поглощающей способности воды и, следовательно, к росту реактивности.

ЧАСТЬ 8. ИЗМЕНЕНИЕ НУКЛИДНОГО СОСТАВА ТОПЛИВА

8.1. Выгорание топлива. Уравнения изотопной кинетики. Запас реактивности

8.2. Воспроизводство ядерного топлива. Коэффициент воспроизводства ядерного топлива

8.3. Отравление ядерного реактора ксеноном-135

8.3.1. Стационарное отравление ксеноном

8.3.2. Нестационарное отравление ксеноном

8.4. Отравление ядерного реактора самарием-149

8.4.1. Шлакование топлива. Стационарное отравление самарием

8.4.2. Нестационарное отравление самарием

8.1. Выгорание топлива. Уравнения изотопной кинетики. Запас реактивности

Выгорание ядерного топлива - процесс превращения ядер делящегося нуклида в ядра других, неделящихся нуклидов вследствие деления и радиационного захвата нейтронов.

Если в качестве топлива используется уран (²³⁵U+²³⁸U):

1.

2.

Так как плутоний является делящимся нуклидом, то имеет место процесс деления:

3.

4. Радиационный захват

Радионуклид ²⁴¹Pu тоже является делящимся нуклидом:

При расчете изотопного состава цепочку превращений обрывают на ²³⁶U и ²⁴²Pu (модель малого выгорания).

1.

2.

3.

4.

5.

Накопление ²³⁵U невелико, т.к. выход ²³⁴U мал. После остановки ЯР еще длительное время из-за большого периода полураспада палладия происходит накопление ²³³U, что ведет к росту реактивности.

При расчете накопления плутония ²³⁹Рuне учитываются промежуточные продукты ²³⁹U и ²³⁹Np, т.к. их периоды полураспада малы, а количество ²³⁸U остается примерно постоянным. С учетом сказанного, система уравнений имеет вид

Здесь s_i – полное сечение поглощения нейтронов.

Решение дифференциальных уравнений выгорания топлива достаточно сложное, поэтому приведем конечное решение:

Накопление ²⁴¹Pu в представим в виде:

Выгорание и накопление продуктов реакций происходят приблизительно по экспоненциальному закону.

8.1.1 Запас реактивности

Помимо реактивности используют понятие запаса реактивности:

ρ_зап= [ (k_эф)_зап - 1 ]/(k_эф)_зап

где (k_эф)_зап - максимально возможное значение эффективного коэффициента размножения, которое могло бы быть достигнуто при полностью извлеченных из активной зоны управляющих стержнях и поглотителях.

Обычно (k_эф)_зап заметно больше единицы, а k_эф≈1, поэтому ρ_зап>>ρ.

Рис.8.1.Интегральная характеристика ядерного реактора в неискаженном (1) и искаженном (2) стержнями ОР СУЗ

Запас реактивности необходим для компенсации во времени следующих эффектов, вызывающих потерю реактивности:

- выгорания топлива с учетом образования плутония;

- стационарного отравления ксеноном;

- нестационарного отравления ксеноном при снижении мощности, т.е. компенсации «иодной ямы»;

- стационарного отравления самарием;

- зашлакования;

- температурного и мощностного эффектов.